現(xiàn)在PCB的疊層越來(lái)越多，布線越來(lái)越密。

雖說(shuō)從EMC和信號(hào)完整性的角度來(lái)講，布線最好在同一層，也就是說(shuō)，不要一根信號(hào)線，從A層走到B層，所謂跳層。

不過，這種要求，在現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)中，是絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)信號(hào)線從一層走到另一層時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)的回流正在想辦法回家。信號(hào)流向很清楚，就是隨著跡線流動(dòng)，但是回流呢?

由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的存在，使得情況更加復(fù)雜。雖然L2層是一個(gè)平面，但是是一個(gè)有厚度的平面，所以，由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，高頻回流存在于靠近信號(hào)線的一側(cè)，也就是說(shuō)L1對(duì)應(yīng)的回流分布在L2的平面的上表面;而L3對(duì)應(yīng)的回流分布在L2的下表面。如下圖(左)所示。

所以要使回流能夠跨越L2的厚度，到達(dá)另一表面，需要在該平面上提供一個(gè)電鍍通孔。該通孔有兩個(gè)作用，如下圖(右)所示：

(1) 連接L1層和L3層，中心導(dǎo)體走信號(hào)

(2) 孔的外導(dǎo)體，走回流。

這樣，當(dāng)信號(hào)從通孔過的時(shí)候，回流也能從通孔的外壁流過，保持了連續(xù)性。而回流路徑的阻抗，則受到通孔形狀的影響。

再看下面的疊層結(jié)構(gòu)，假設(shè)L1和L4是信號(hào)層，L2和L3是對(duì)應(yīng)的參考層，通常L2和L3分別為電源層和地層。

先假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，即L2和L3的直流電位相同，所以，這兩個(gè)平面可以通過一個(gè)通孔2連接起來(lái)。

這樣，當(dāng)信號(hào)通過通孔從L1層到達(dá)L4層時(shí)，其回流可以通過通孔2保持連續(xù)性。如下圖所示。

這種情況，和前面的case很接近。不過，因?yàn)橥?有一定的長(zhǎng)度，所以信號(hào)可能會(huì)有一些波動(dòng)。

也許會(huì)有這樣一個(gè)疑問，前面的case是從信號(hào)通孔的外壁走的，這里怎么不走了?

其實(shí)是這樣的，你想象一下啊，前面的case，回流是走在同一層的上下兩個(gè)表面，而這兩個(gè)表面是連接在一起的;但是，現(xiàn)在回流是走在不同層的上下表面，這兩個(gè)表面是不連的。

但是，當(dāng)L2和L3兩個(gè)平面的直流電位不再相同呢，而是一個(gè)是電源層，一個(gè)是GND層呢。這個(gè)時(shí)候，顯然不能將L2和L3層用通孔連接起來(lái)。

那怎么辦?

回流顯然還是要回去的，但是怎么回去，是個(gè)問題。

一呢，通過層間電容回去。

另外一種方法呢，就是采用旁電容，電容的一端通過通孔連接到GND層，另一端通過通孔連接到電源層。此時(shí)回流需要突破一系列阻礙，從地平面開始，需通過通孔，焊盤，去耦電容，焊盤，通孔，然后才能到達(dá)電源平面。

如下圖所示。

直觀地說(shuō)，為了最大限度地減小回流路徑的環(huán)路面積，旁路電容最優(yōu)的位置是防止在信號(hào)通孔的附近。也就是說(shuō)，如果只能添加一個(gè)旁路電容來(lái)抑制電源層和GND層之間的電壓波動(dòng)，那最優(yōu)的位置則是在信號(hào)孔附近。

口說(shuō)無(wú)憑，可以用下面的仿真，來(lái)證明確實(shí)是這樣。

仿真模型，如下圖所示。粗看這個(gè)圖，可能回想，這是個(gè)什么鬼?

所以，靜下心來(lái)，配合下面的說(shuō)明，邊比對(duì)，邊看。

仿真模型的疊層結(jié)構(gòu)如下圖所示，S1, POWER,RETURN,S2。頂層和底層是信號(hào)層，電源層和GND層是內(nèi)部層。平面的大小是10cmX10cm。層間距離為30mil，層間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為4.0.

跡線a通過通孔2從S1層穿過電源層和GND層，到達(dá)S2層，改民為跡線b。

一個(gè)50mA的驅(qū)動(dòng)器，用一個(gè)理想電流源Is和并聯(lián)電阻Rs來(lái)表示，一端連接跡線a，另一端通過通孔1與電源層連接。

Rterm位于S2層，一端接跡線b,另一端通過通孔3連接到GND層。

電流源的輸出波形，上升時(shí)間為300ps, 持續(xù)時(shí)間為300ps,下降時(shí)間為300ps的脈沖。

現(xiàn)在看明白了沒?要是沒明白的話，就回上去，再看一遍。

現(xiàn)在，對(duì)以下三種情況進(jìn)行仿真：

情況1：沒有旁路電容

情況2：旁路電容放置在開關(guān)電流源附近。

情況3：旁路電容放置在通孔2附近，即信號(hào)孔附近

旁路電容的容值為100nF, 串聯(lián)等效電感ESL為50pH,等效串聯(lián)電阻ESR為10mohm。電容器的兩個(gè)焊盤相距2mm。

三種情況下，空間噪聲電壓分布的仿真結(jié)果如下圖所示。

對(duì)于情況1(未安裝旁路電容)，可以清楚地看到，電磁波從通孔2向外傳播，等波到達(dá)電路板邊緣時(shí)，會(huì)反射，從而引起電源平面和地平面之間的諧振效應(yīng)。

對(duì)于情況2(旁路電容安裝在開關(guān)電容附近)，空間電壓分布表面，在峰值噪聲產(chǎn)生并傳播到電容位置之前，電容是無(wú)效的。(說(shuō)實(shí)話，看了很多遍，我還是沒看懂)

對(duì)于情況3(旁路電容安裝在通孔2處)，可以看到，當(dāng)當(dāng)平面電壓反彈到正振幅時(shí)，電容器的周圍看起來(lái)像個(gè)凹痕。電容器試圖在通孔2周圍保持一個(gè)安靜的區(qū)域，有效抑制了噪聲。(這個(gè)我也沒看出來(lái)，不過從明暗度看的話，電平小點(diǎn))

上圖是峰值噪聲電壓的概率分布圖，粗看這一幅圖，我還想，作者是不是搞錯(cuò)了，明顯和描述不符啊。等我再看一遍，然后再讀一遍，再看一遍后，明白了，其縱軸是概率分布值，橫軸是電壓。

所以，可以看到：

對(duì)于情況1(未安裝旁路電容)，電源/回流平面上，大部分的峰值噪聲電壓在25-45 mV范圍內(nèi)。

對(duì)于情況2(旁路電容安裝在開關(guān)電容附近)，表明在器件附近放置100 nF的旁路電容后，電源/回流平面上的一些區(qū)域現(xiàn)在表現(xiàn)出較低的噪聲電壓(約25 mV)。然而，一般來(lái)說(shuō)，噪聲電壓的分布范圍仍然是25 mV到40 mV(但中位數(shù)被轉(zhuǎn)移到大約25 mV)。

對(duì)于情況3(旁路電容安裝在通孔2處)，表面對(duì)噪聲電壓的硬著顯著提高，噪聲分布大多數(shù)在15~25mV之間。

所以，當(dāng)信號(hào)線穿越層，特別是電源和回流參考平面時(shí)，應(yīng)在穿越信號(hào)的孔附近放置通孔或旁路電容，以提供回流路徑。任何其他位置都可能導(dǎo)致電源和回流板噪聲電壓的顯著增加、PCB諧振，以及隨后的EMI和信號(hào)完整性性能下降。

需要注意的是，在實(shí)際電路中(與用于模擬的簡(jiǎn)化電路不同)，應(yīng)在平面上使用多個(gè)旁路電容，而不是單個(gè)電容，以保持電源和回流平面無(wú)諧振。

審核編輯：湯梓紅